xe vận hành 2 chế độ và có thể né vật cản

TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

XE ĐỒ CHƠI HAI CHẾ ĐỘ:
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ HÀNH

Người hướng dẫn: ThS NGƠ TÚ QUỲNH
Người thực hiện: LÊ TRUNG TÍN
Lớp

:

……14040202…

Khố

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018…

:

.…..18......


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
-------------------

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin chân thành cảm ơn cơ NGƠ TÚ QUỲNH đã hướng dẫn tơ hồn
thành đề tài này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Tác giả
LÊ TRUNG TÍN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
-------------------

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và được sự
hướng dẫn khoa học của cơ NGƠ TÚ QUỲNH. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong đề tài này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số
liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn
gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường đại học Tơn Đức Thắng khơng
liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tơi gây ra trong q trình
thực hiện (nếu có).
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Tác giả

(ký tên và ghi rõ họ tên)
LÊ TRUNG TÍN


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 1/31

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................................2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................3
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI................................................................................4
1.1

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

4

1.2

YÊU CẦU VÀ NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 4

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ ĐỀ TÀI....................................................................................5
2.1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.2

THIẾT KẾ CHI TIẾT 5

5

2.2.1

Khối nguồn5

2.2.2

Khối cảm biến 6

2.2.3

Khối điều khiển động cơ 9

2.2.4

Khối động cơ 11

2.2.5

Khối hệ thống trung tâm điều khiển 12

2.2.6

Ngun lí hoạt động của tồn xe 13

2.3

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

14

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG........................................16
3.1

MƠ HÌNH MƠ PHỎNG

16

3.2

THI CƠNG PHẦN CỨNG 16

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN...............................................................................................18
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................19
PHỤ LỤC

....................................................................................................................20

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 2/31

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 1 Sơ đồ khối..................................................................................................5
Hình 2. 2 Pin nguồn 12V [5].....................................................................................6

Hình 2. 3 Mơ phỏng sơ đồ nối chân của SRF05 trên Proteus [3]...............................6
Hình 2. 4 Cảm biến siêu âm SRF05...........................................................................7
Hình 2. 5 Biểu đồ thời gian của SRF 05....................................................................8
Hình 2. 6 Module bluetooth HC_05 [5].....................................................................8
Hình 2. 7 Mơ phỏng Module driver L298N bằng chương trình Proteus [3],[5].......10
Hình 2. 8 Module driver L298N [5]........................................................................10
Hình 2. 9 Động cơ DC giảm tốc [5].........................................................................12
Hình 2. 10 Sơ đồ chân của PIC016F877A...............................................................12
Hình 2. 11 Các khối chức năng chính của PIC 16F877A........................................13
Hình 2. 12 Lưu đồ giải thuật cho chế độ điều khiển bằng smart phone...................14
Hình 2. 13 Lưu đồ giải thuật cho chế độ tự hành............................................................................15

Hình 3. 1 Mơ phỏng mơ hình xe bằng phần mềm Proteus [3].................................15
Hình 3. 2 Sơ đồ mạch in..........................................................................................15
Hình 3. 3 Đồ án xe tự hành hai chế độ sau khi hoàn thành......................................16

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 3/31

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

DC

Direct Current

GND

Ground

IC

Integrated Circuit

PIC

Programmable Intelligent Computer

PID

Propotional Integral Derivative

PWM

Pulse Width Modulation

USART

Universal Synchronous/Asynchronous Reciever/Transmitter

VCC

Voltage Common Collector

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 4/31

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Xe đồ chơi tự hành là loại xe được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực nhằm phục vụ đời sống con người ngày nay. Xe được thiết kế nhằm mục đích
giúp con người dễ dàng sử dụng các vấn đề cuộc sống như: giải trí, vận chuyển
hàng hóa-thiết bị, rà phá bom mìn trên chiến trường, biến thể xe thành các loại xe
thông minh không cần người lái,...
Trong đồ án xe đồ chơi tự hành hai chế độ này sử dụng cảm biến siêu âm đo
khoảng cách để tránh vật cản. Ngồi ra cịn kết hợp sử dụng module Bluetooth
HC_05 dùng để điều khiển xe tự hành thông qua ứng dụng điện thoại tự tạo.
Nghiên cứu các ứng dụng của các Module cảm biến cùng với các linh kiện điện tử
dùng trong đồ án nhằm tạo ra sản phẩm theo yêu cầu đồ án đề ra. Việc nghiên cứu
cũng giúp sinh viên có thể thấy được thực tế khi ứng dụng vào đời sống và hiểu rõ
hơn tính chun mơn của ngành Điện Tử. Từ những kiến thức và kinh nghiệm đã
được học, thực hành tại trường sẽ giúp ích cho sinh viên trong công sống và công
việc sau khi đi làm.
1.2 Yêu cầu và nhiệm vụ đề tài
Thiết kế mơ hình xe hồn chỉnh với nhiều chức năng trên cấu hình hai chế độ:
Điều khiển chạy tới lui, quẹo trái, phải và tự hành tránh vậy cản. Nắm rõ các
nguyên lí hoạt động của từng cơ quan, bộ phận cấu thành nên xe. Hiểu rõ phương
pháp lập trình và tiến hành chế tạo bằng các kĩ thuật chuyên ngành điện-điện tử .Từ

đó tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu ban đầu đề ra.

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 5/31

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ ĐỀ TÀI
2.1 Thiết kế hệ thống
Khối Nguồn (PIN)

Khối Cảm
Biến
(SRF_05,

Khối Trung
Tâm Điều Khiển

Khối Động Cơ
(motor, động cơ)

(PIC 16F877A)

HC_05)

Khối Điều Khiển Động Cơ
(Module driver L298)

Hình 2. 1 Sơ đồ khối

2.2 Thiết kế chi tiết
2.2.1 Khối nguồn
Khối nguồn dùng để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống của xe hoạt
động. Ở đồ án này ta dùng nguồn Pin đề cung cấp năng lượng cho các xe vận
hành ổn định. Hầu hết các hoạt động do sử dụng nhiều chức năng của xe đều
tiêu tốn một nguồn lớn năng lượng nên cần đảm bảo ít nhất có hai viên PIN
12VDC trong nguồn.

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 6/31

Hình 2. 2 Pin nguồn 12V [5]

2.2.2 Khối cảm biến
I. Cảm biến siêu âm SRF05

II.

Hình 2. 3 Mô phỏng sơ đồ nối chân của SRF05 trên Proteus [3]

A. Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 7/31

Hình 2. 4 Cảm biến siêu âm SRF05

SRF05 là cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách với vật cản, được sử dụng
nhiều trong trobot dị đường, cơng nghiệp ơ tơ. Khoảng cách đo là 3cm đến 500cm.
Hoạt động ở tần số 40Khz sẽ tạo ra 8 xung sóng siêu âm. [1],[2]
B. Sơ đồ chân cảm biến siêu âm SRF05
 Chân 1_VCC là chân được nối với nguồn.
 Chân 2_Trigger là chân dùng tạo ra một xung tín hiệu giúp
nhận biết vật cản.
 Chân 3_Echo là chân có chức năng nhận sóng phản xạ từ
vật cản trả về.
 Chân 5_GND: được nối với chân GND của chip xử lí.
C. Nguyên lí ohạt động:
 SRF05 sử dụng ngun lí phản xạ của sóng để đo khoảng cách.
Khi muốn đo khoàng cách SRF05 sẽ phát ra một khoảng xung
gồm 8 xung với tốc độ 40khz. Sau đó nó sẽ chờ xung phản xạ phản
hồi về. Từ thời gian giữa xung đi và xung về ta dễ dàng tính được
khoảng cách từ SRF05 tới vật cản.
 Khi phát ra xung và chờ xung phản xạ về, chân ECHO của RSF05
sẽ được kéo lên cao, khi có xung phản xạ về thì chân ECHO sẽ

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 8/31

được kéo xuống thấp hoặc sau 30 ms nếu khơng có xung phản xạ
về.

Hình 2. 5 Biểu đồ thời gian của SRF 05

III.

Module bluetooth HC_05
A. Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân:

Hình 2. 6 Module bluetooth HC_05 [5]

 State: chân trạng thái.
 RXD: nhận dữ liệu.
 TXD: truyền dữ liệu.
 GND: chân nối đất.
 VCC: nguồn hoạt động từ 3.3 đến 5VDC.
B. Thông số kĩ thuật:
 Điện áp hoạt động: 3.3 đến 5VDC

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 9/31

 Mức điện áp chân giao tiếp: 3.3 đến 5VDC.
 Dòng điện khi hoạt động: trước khi Pairing 30 mA, sau khi
Pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA.
 Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600,
38400, 57600, 115200.
 Hoạt động ở 2 chế độ: Master và Slaver.
 Tần số hoạt động: 2.4 GHz đến 2.48 GHz.
 Kich thước: 15.2 x 35.7 x 5.6 mm.
C. Nguyên lí hoạt động:
Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, khoảng cách
truyền tối đa là 100m. Tốc độ truyền tối đa lên đến 1Mbps. Hoạt động
theo ngun tắc dùng smartphone để dị tìm tín hiệu và thực hiện quá
trình kết nối, sau khi ghép nối thành cơng thì tiếp tục điều khiển và
truyền nhận dữ liệu thông qua bởi smartphone. [1],[2]
2.2.3 Khối điều khiển động cơ
Sử dụng Module L298 để vận hành các động cơ DC. Sự tiện lợi và độ chính xác
cao giúp cho khối hệ thống trung tâm điều khiển xử lí tốt yêu cầu được giao.

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 10/31

Hình 2. 7 Mơ phỏng Module driver L298N bằng chương trình Proteus [3],[5]

Hình 2. 8 Module driver L298N [5]

 4 chân INPUT: INT1, INT2, INT3, INT4 được nối lần lượt với các chân
5,7,10,12 của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu.
 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân
INPUT) được nối với các chân 2,3,13,14 của L298. Các chân này được nối
với động cơ.
 Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu ở
mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở
mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động.
 Lưu ý cách điều khiển quay của L298:
 Khi ENA = 0 : Động cơ không quay với mọi đầu vào.
 Khi ENA = 1 :
 INT1 = 1, INT2 = 0 : Động cơ quay thuận
 INT1 = 0, INT2 = 1 : Động cơ quay nghịch
 INT1 = INT2 : Động cơ quay tức thì.
 Tương tự việc sử dụng ENB với INT3, INT4. [2]

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 11/31

2.2.4 Khối động cơ
Sử dụng động cơ quay DC giảm tốc để kích hoạt sự chuyển điều khiển chuyển

động của bánh xe thông qua khối điều khiển động cơ dùng module L298. Nhờ sự
linh hoạt, tiện lợi, dễ sử dụng của động cơ DC mà xe có thể di chuyển tới, lui, rẽ
trái, phải một cách thuận lợi.
Động cơ DC được điều khiển và cấp nguồn sử dụng thông qua việc dùng
Module L298, các đầu kết nối của động cơ sẽ được kết nối với các chân OUTPUT
của Module L298.

Hình 2. 9 Động cơ DC giảm tốc [5]

2.2.5 Khối hệ thống trung tâm điều khiển
Khối này nhận tín hiệu từ các cơ quan khác như cảm biến siêu âm hoặc
smartpone để tiến hành xử lí các yêu cầu của người điều khiển. Trung tâm chính của
khối hệ thống này là PIC 16F877A, đây là vi xử lí có nhiều tính năng ưu việt và tiện
lợi dùng để lập trình thơng qua các chân điều khiển của nó.[6]
1) Giới thiệu PIC 16F877A:
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 13 lệnh với độ dài
14 bit. Mỗi điều lệnh được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động
tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 12/31

8Kx14bit, bọ nhớ dữ liệu 368x8 bye RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung
lượng 256x8 bye. Số port I/O là với số pin I/O là 33. [1]
2) Sơ đồ chân và khối chức năng chính của PIC16F877A

Hình 2. 10 Sơ đồ chân của PIC016F877A

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 13/31

Hình 2. 11 Các khối chức năng chính của PIC 16F877A

2.2.6 Nguyên lí hoạt động của tồn xe
Ở chế độ điều khiển bằng smarphone thơng qua việc thu nhận tín hiệu của
bluetooth, xe hoạt động dự trên việc giao tiếp giữa điện thoại và người dùng thông
qua một ứng dụng android được tạo lập trên máy tính. Xe chạy tới, lui, quay trái và
quay phải theo yêu cầu bằng việc nhấn các nút được lập trình sẵn trên ứng dụng.
Ở chế độ tự hành tránh vật cản dùng cảm biến siêu âm SRF05, module cảm biến sẽ
tiến hành việc đo khoảng cách bằng sóng xung và trả về giá trị đọc cho khối hệ
thống trung tâm điều khiển của xe. Vi điều khiển của xe là PIC 16F877A sẽ tiếp
nhận thông tin và thực hiện giải thuật đã được lập trình để đưa ra lệnh điều khiển
thích hợp cho module L298 tiến hành điều khiển xe vận hành theo yêu cầu là tránh
vật cản. [1],[6]

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 14/31

2.3 Lưu đồ giải thuật
 Lưu đồ giải thuật cho chế độ điều khiển bằng smartphone:
Bắt đầu

Khởi tạo
giao diện
u cầu bật
Bluetooth

Bật
bluetooth

Chuyển giao diện
điều khiển

Đợi tín

Tìm

hiệu

kiếm

user

bluetoot
h

Phím

Phím

Phím

Phím

Disco

lên

xuống

rẽ trái

rẽ phải

nnect

Gửi “1”

Gửi “2”

Gửi “3”

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

Gửi “4”

Gửi “5”

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 15/31

Hình 2. 12 Lưu đồ giải thuật cho chế độ điều khiển bằng smart phone

 Lưu đồ giải thuật cho chế độ tự hành:

Hình 2. 13 Lưu đồ giải thuật cho chế độ tự hành

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 16/31

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ THI CƠNG PHẦN CỨNG
3.1 Mơ hình mơ phỏng

Hình 3. 1 Mơ phỏng mơ hình xe bằng phần mềm Proteus [3]

3.2 Thi cơng phần cứng

Hình 3. 2 Sơ đồ mạch in

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín


ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG
Trang 17/31

Hình 3. 3 Đồ án xe tự hành hai chế độ sau khi hoàn thành

Nhận xét kết quả mô phỏng và thi công mạch.
 Xe tự hành sau khi thi công mạch đạt yêu cầu như bản thảo thiết kế.
 Xe hoạt động ổn định, đúng với giải thuật yêu cầu đề ra.
 Xe né vật cản được theo yêu cầu đồ án đề ra tuy nhiên chưa tối ưu như mong
muốn.
 Xe kết nối với smartphone thơng qua Module Bluetooth HC_05, tín hiệu
truyền đi và nhận được từ điện thoại và xe ổn định.
 Hạn chế : Tổn hao và phát sinh nhiều chi phí trong q trình thực hiện. Xe
cồng kềnh và khả năng tránh vật cản cịn có hạn chế, chưa hồn hảo.

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN
Kết Luận:

Xe đồ chơi hai chế độ:Điều khiển và tự hành

SVTH: Lê Trung Tín